基于“国家公顷”生态足迹模型的吉安市耕地可持续发展状况分析

张振江，涂起红

(东华理工大学地球科学学院，330013，南昌)

0 引言

耕地资源作为一种非可再生资源是人类赖以生存和发展的物质基础，是确保国家粮食安全的根本要素，我国对耕地资源十分重视，为确保国家粮食安全，我国采取最严格的耕地保护制度，施行耕地数量、质量和生态“三位一体”的保护政策，能否可持续地利用耕地资源，直接关系到区域经济、社会和自然环境的整体可持续发展。生态足迹由1992年加拿大生态经济学家Rees提出的一种衡量人类对资源的利用程度是否处于该地区生态系统的承载力范围内的量。耕地是生态足迹计算指标之一，计算耕地生态足迹虽不能反应研究区域的整体可持续发展水平，但对衡量该区域内是否可持续发展具有重大意义。目前不少学者应用生态足迹模型对区域耕地资源的可持续性进行了评价研究，如谢雨燕[1]等采用生态足迹法动态分析西藏地区大部分耕地的可持续发展状况处于弱可持续状态，需提高耕地的进一步保护；薛若晗[2]运用改进的三维生态足迹模型评价得出福建省耕地资源近10 年处于不可持续状态；罗海平[3]等构建耕地生态足迹模型对我国粮食主产区的耕地生态盈余状况进行了详细的评价及分区；白茹冰[4]基于生态足迹模型得到2017年后河南省耕地可持续发展受到较大威胁，除信阳市耕地处于弱不可持续发展外，其余地市均处于中等不可持续阶段；王琦[5]等分析了3种不同的生态足迹模型对四川省耕地可持续的评价结果，表明四川省耕地资源利用由弱不可持续状态逐步向强不可持续状态发展；周丽萍[6]等的耕地生态足迹模型研究表明临夏州人均耕地足迹在13 a增长了26倍之多，其耕地生态系统处于极不稳定状态。

吉安是长江中游城市群重要成员，位于江西省中部富饶的吉泰平原，吉安市土地利用类型以林地和耕地为主，截至2014年耕地面积占总面积比例17.5%。据统计2018和2020年吉安市粮食产量增长率仅0.1%，2019年粮食产量下降1.2%，其粮食安全已经出现较大隐患，且吉安市在目前的土地利用中随着大规模的开发建设，人口、耕地逆向发展，耕地面积日渐减少，人地矛盾突出，因此对吉安市耕地可持续发展进行研究具有较大意义。

1 “国家公顷”耕地生态足迹模型的改进

1.1 “国家公顷”及数据来源

本文在传统生态足迹模型的基础上采用了由我国学者改进提出的“国家公顷”的生态足迹模型[7]来对吉安市的耕地生态足迹进行计算和分析。由于传统生态足迹模型的研究依据是来源于联合国粮农组织(FAO)使用1993年世界平均产量的计算结果，对比现在数据的时间跨度和现势性区别较大，且与我国实际土地生产力和土地承载力相比，国际机构计算的世界平均生产力和均衡因子，并不适用于我国的实际情况，因此，在进行我国市域的生态足迹研究时，根据我国实际情况计算国家平均生产力和均衡因子更加符合实际研究需要，所得结果更能反应研究区域的实际生态承载力状况[8]。因此在对吉安市的耕地生态足迹计算中采用“国家公顷”的概念更能真实反映吉安市的耕地利用情况和可持续发展状态。

根据生态足迹的计算方法，本文对吉安市耕地生态足迹和生态承载力和生态盈余(赤字)进行分析和计算，涉及到的耕地生产作物有：粮食作物(包括稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类)、油料(包括花生、芝麻、油籽等)、棉花、糖类(主要指甘蔗)、烟叶、蔬菜、茶叶和果园共8类作物。分别收集了我国2009—2018年这8类作物的单位面积产量，吉安市2009—2018年这8类作物的播种面积、年总产量并计算其单位面积产量以及吉安市2009—2018年的年末人口数量。数据来源于《中国统计年鉴》，2010—2019年《江西统计年鉴》，2010—2019年《吉安统计年鉴》和《吉安市统计公报》等。

1.2 “国家公顷”模型中的均衡因子含义

不同类型土地的平均生物生产力相差很大，要通过各自的均衡因子来转化成可以直接进行比较的标准面积。传统生态足迹中的土地类型有：耕地、林地、水域、化石能源地、草地和建设用地，其均衡因子主要引用了Rees所提出的全球均衡因子值。随着我国学者对生态足迹模型的广泛应用，均衡因子极其有必要进行本地化研究。本文基于改进的“国家公顷”生态足迹概念引用了我国学者刘某承[9]等根据MODIS数据和植被的净初级生产力所计算出的我国各土地利用类型平均均衡因子。由于本文章只计算耕地一种生态足迹，引用其计算结果均衡因子为1.74。

1.3 “国家公顷”模型中的产量因子含义

由于国内区域间生产条件和环境的差异，即使是同类生物生产性土地的生产力也存在地域差异，不同区域同类土地间的生物生产力也不相同。因此，不同地域的同类生物生产性土地的实际面积也不能直接相比，需要通过产量因子进行转换[7]。这里的产量因子是通过把研究区内的某类土地的平均生产力除以全国同类土地的平均生产力得到的，这一因子综合反映了特定地域环境和社会经济因素。吉安市各类农作物产量因子计算方法为：产量因子=吉安市耕地各类型农作物平均单位面积产量/全国该类型农作物平均单位面积产量。2009—2018年全国和吉安市耕地农作物平均单位面积产量和各类型农作物产量因子见表1。根据计算结果，吉安市除粮食作物、棉花以及烟叶的单产略高于全国平均水平外，茶叶、果类作物单产不足全国平均产量的一半。

表1 2009—2018年吉安市耕地各类型农作物产量因子

2 材料与方法

2.1 耕地生态足迹的计算

任何一个特定的人口其生态足迹是其所占有的用于生产其所消耗资源和收纳其所产生废物的生产性土地面积。计算公式为：

(1)

式中：EF表示吉安市生态足迹总量；ef表示人均生态足迹；N表示吉安市的各年人口总数；Ci表示吉安市耕地上i类农作物各年人均生产量；ri为第i类农作物的土地利用类型的均衡因子；pi表示第i类消费品的全国平均生产能力。

2.2 耕地生态承载力的计算

生态承载力是指区域内自然生态系统能够提供给人类生存和发展所需资源的生态生产性土地面积总和。其计算公式为：

EC=N·ec=N·∑ai·yi·ri

(2)

式中：EC为吉安市总的生态承载力，N为吉安市人口数量，ec为吉安市人均生态承载力，ai为吉安市i类农作物人均生产面积，yi为第i类农作物的产量因子，ri为第i类农作物土地利用类型的均衡因子。

2.3 耕地生态盈亏

生态承载力大于生态足迹时即为生态盈余，反之为生态赤字。生态盈亏计算公式为：

ED=EC-EF=N·(ec-ef)

(3)

式中：ED为生态赤字/盈余，ec、ef分别是人均生态承载力和人均生态足迹。ED>0 为生态盈余，表明该区域的生态供给大于人口消费需求，区域耕地处于可持续发展状态；ED<0 为生态赤字，表明该区域的生态供给小于人口消费需求，区域耕地处于不可持续发展状态。

3 吉安市耕地生态足迹变化趋势

根据上述公式及数据计算得到吉安市2009—2018年耕地生态足迹结果如图1所示。

图1 吉安市2009—2018年人均耕地生态足迹、人均耕地生态承载力及人均耕地生态盈亏变化

3.1 吉安市人均耕地生态足迹分析

图1表明，2009—2018年吉安市耕地人均生态足迹整体增长，2018年较2009年10 a增长了10.2%，增幅最大的一年为2010年，在2014年的达到最高值的0.334 4 hm2，随后又呈缓慢下降状态，其下降速度远不及2009—2014年的增长速度，2014—2017年3 a总体下降幅度仅略高于2013—2014年的增长幅度。

3.2 吉安市人均耕地生态承载力分析

图1表明2009—2018年吉安市人均耕地生态承载力总体来说10 a增长率仅不到1.4%，其增长率远低于人均耕地生态足迹的增幅，2009—2014年生态承载力变化趋势和生态足迹趋势基本一样，2014年和2015年生态承载力变化不大，2015年后生态承载力下降明显，说明吉安市2015年后土地利用状况开始趋于不合理，耕地压力增大。

3.3 吉安市人均耕地生态盈余(赤字)分析

图1表明，吉安市2009—2012年人均生态足迹都小于人均生态承载力，处于生态盈余状态，吉安市的耕地生产力满足当地居民的需求量，处于可持续利用状态，但是每年都在减少，2013年生态足迹大于生态承载力，开始处于生态赤字，耕地的生产不再满足当地居民的需要，耕地的人均生态赤字在2014年达到顶峰为0.006 2 hm2，2015年虽下降至0.002 1 hm2，但随后波动上升的趋势，至2018年生态赤字又增长至0.005 2 hm2，较2015年增长了1.48倍。

3.4 吉安市耕地可持续发展指数

为了能够较为直观地反应吉安市耕地的利用程度，又引用了我国学者刘钦普[10]等提出的耕地可持续发展指数(SDI)来直观地表示耕地可持续发展程度，其计算方法为耕地生态承载力同耕地生态足迹与耕地生态承载力的和的比，SDI的取值范围为0～1，以0.5为界限，以0.15为阶段，SDI值越接近1表明耕地生态处于越强可持续状态，越接近于0表明耕地处于越不可持续状态。通过计算可以得到2009—2018年各年份吉安市耕地生态可持续发展状态指数，结合表2可知10 a吉安市耕地生态可持续指数下降较为明显，2013年后均处于弱不可持续状态。

表2 2009—2018年吉安市耕地生态可持续发展状态指数

4 结论与建议

4.1 结论

根据2009—2018年吉安市耕地生态足迹、生态承载力、生态盈余(赤字)以及耕地可持续发展指数的结果可以得到：吉安市的耕地生态足迹2018年与2009年相比增长了10.2%，但是2014年后处于缓慢下降趋势，但下降缓慢；吉安市的耕地生态承载力2018年与2009年相比仅增长1.4%，2014年后处于快速下降的趋势；2013年后耕地生态足迹开始大于耕地生态承载力，耕地可持续指数开始由弱可持续转变为弱不可持续，2014年耕地生态赤字达到最高，2015年以后也处于波动上升趋势，不利于吉安市的耕地资源的可持续发展。

4.2 建议

通过“国家公顷”的吉安市耕地生态足迹模型的计算以及统计数据，目前吉安市的耕地不可持续发展的主要原因不仅在于耕地数量下降明显，而且耕地质量明显较低，导致大部分农作物的单产远低于国家平均水平。为了保护吉安市耕地持续向好发展，防止耕地向不可持续的无限转变，吉安市应该在我国“三位一体”耕地保护政策体系下，合理控制建设用地在城市化过程中的无限制增长，防止过多耕地转变为建设用地，还应加大农业科技与政策方面的投入，优化耕地生产模式，提高土地产量，加强耕地集约化利用与高标准农田的建设，完善耕地生态保护补偿制度，提高区域内耕地的生态保护意识。